一种新型数字式微机励磁控制装置的研究与设计硕士学位

1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。一种新型数字式微机励磁控制装置的研究与设计硕士学位一种新型数字式微机励磁控制装置的研究与设计硕士学位硕士王钧一种新型数字式微机励磁控制装置的研究与设计2012硕士学位论 文 一种新型数字式微机励磁控制装置的研究与设计一种新型数字式微机励磁控制装置的研究与设计摘 要本文在分析国内外励磁控制装置发展现状和关键应用技术的基础上建立了新型数字式微机励磁控制系统。该系统将光伏技术、物联网及现代通信技术与励磁控制装置相结合，具有一定的创新性和前瞻性，其发电机组采用他励方式时， 可由太阳能光伏组件励磁实现电力节能。该

2、装置以NXP 公司32位ARM单片机LPC1768为控制核心，硬件设计部分主要包括电源、时钟与存储、按键与显示等单片机基本外围电路；采样、整流、斩波和触发控制等电路； 232/485和GPRS等通信电路；系统保护和抗干扰电路。软件部分主要实现运行方式控制、采样与计算、励磁控制、通信与存储、综合保护和抗干扰设计等功能，尤其考虑了V/F限制、欠励限制、空载强励限制、过载限制和起励、灭磁控制等保护措施。文中分析和讨论了自动励磁控制算法和交流采样算法，励磁过程可切换积分分离PID控制和线性最优控制两种模式，采样过程则使用64点快速傅里叶算法以提高精度。论文最后通过交流采样、晶闸管移相控制、相位检测、时

3、钟调整和串口通信等实验验证了装置的部分模块的功能并达到了相应技术指标。该装置具有良好的人机界面，硬件扩展性好，软件兼容性强，便于系统升级和更新换代，可以应用于中小型的水电厂和造纸、化工等企业的自备发电机组，具有较广的应用市场。关键词：LPC1768 微机励磁 光伏励磁 GPRS通信 THE STUDY AND DESIGN OF A NEW DIGIT EXCITATION CONTROL EQUIPMENT BY MICROCOMPUTER ABSTRACTIn this paper, the new digital microcomputer-based excitation contro

4、l system base on the analysis of critical applications and development status of domestic and international excitation control devices. The system will be the combination of photovoltaic technology, the Internet of Things, modern communications technology and excitation control devices, innovative a

5、nd forward-looking.Its generator group were excited by solar photovoltaic modules, which could save power energy.The device take NXP 32 bits ARM microcontroller LPC1768 as the control core.The parts of hardware design mainly contain circuits of microcontroller power supply, clock and storage, button

6、s and display; control circuits of sampling, rectifier, chopper and trigger; communication circuits of 232/485 and GPRS; circuits of system protection and anti-jamming. Software design contain the main operation mode control, sampling and calculation, communications and storage, protection and anti-

7、jamming design, especially considering that the V/ F limit,low excitation limit, no-load strong excitation limit, overload limit, start and de-excitation control.This paper analyzes and discusses the automatic excitation control algorithms and sampling algorithms.The excitation process can be switch

8、ed to two modes: the integral separation PID control and linear optimal control, the sampling process is using 64-point fast Fourier algorithm to improve the accuracy. Finally, experiments of sampling, thyristor phase-shift control, phase detector, clock adjustment and serial communication have veri

9、ficated parts function of the device and achieved the appropriate technical indicators.The device has a good human-computer interface, hardware scalability, software compatibility, convenient for system to upgrade and renew.It can be applied to small-sized hydropower plants, paper mill, chemical pia

10、nts and other enterprises owned generator sets, with a more wide application market.KEY WORDS: LPC1768; excitation by microcomputer; excitation by solar photovoltaic; GPRS communication目 录THE STUDY AND DESIGN OF A NEW DIGIT EXCITATIONICONTROL EQUIPMENT BY MICROCOMPUTERI第一章 绪论01.1 论文选题的背景及意义01.2 微机励磁

11、控制器的国内外研究现状01.2.1 国内研究现状01.2.2 国外研究现状11.3 其他新技术的应用与发展11.3.1 太阳能光伏技术11.3.2 物联网技术21.4 微机励磁控制装置的技术发展趋势21.5 本论文的主要内容和章节2第二章 励磁控制原理与算法分析42.1励磁调节原理42.1.1 励磁调节系统组成42.1.2 励磁控制系统功能42.1.3 励磁调节系统的性能要求62.2新型微机励磁调节系统模型62.3 交流采样算法研究72.3.1 基本计算符号与公式说明72.3.2 基本理论算法82.3.3 半周积分算法92.3.4 傅里叶算法102.3.5 本装置采样算法102.4 自动励磁算

12、法研究112.4.1 常规PID控制算法112.4.2 数字PID控制算法112.4.3 积分分离PID算法122.4.4 PID励磁控制算法122.4.5 线性最优励磁控制算法132.5本章小结15第三章 光伏与物联网通信等技术应用原理163.1 太阳能辐射强度计算163.2 太阳能光伏技术163.2.1 光伏效应原理163.2.2 光伏电池等效电路与特性173.2.3 光伏电池组件183.3 电能贮存183.4 物联网与智能电力设备193.5 传感器技术应用203.5.1 射频识别技术203.5.2 电力互感器203.6 现代通信技术应用213.6.1 串口通信213.6.2 I2C通信2

13、13.6.3 GPRS通信223.7 本章小结23第四章 励磁控制器硬件设计244.1 装置功能需求说明244.2 硬件系统设计244.2.1 核心控制芯片的选择244.2.2 系统功能框图264.2.3 硬件层次原理图264.3 电源模块设计274.4 时钟与存储模块284.5 按键电路与液晶显示294.6 采样调理电路304.7 全控整流电路334.8 直流斩波电路354.9 开关量控制电路364.10通信模块设计384.10.1 串口通信384.10.2 GPRS接口设计394.11 系统保护电路414.12 硬件抗干扰设计414.13 本章小结42第五章 励磁控制器软件设计435.1软

14、件设计总体说明435.1.1 软件功能需求说明435.1.2 程序设计思想435.1.3 程序设计的步骤435.2 系统主流程设计445.3 运行方式控制设计455.4 按键控制设计465.5 调差模块设计475.6采样流程设计475.7晶闸管移相触发设计485.8 励磁控制设计495.8.1 起励控制43495.8.2 灭磁控制43505.8.3 数字PID励磁控制设计505.9 励磁限制与保护功能设计515.9.1 V/F 限制515.9.2 最大励磁电流瞬时限制515.9.3 空载强制限制525.9.4 欠励磁限制525.9.5 无功功率过载限制535.9.6 强行励磁535.9.7 反

15、时限延时过励磁电流限制535.9.8 TV断线检测545.10 通信与监控设计545.10.1 I2C通信设计545.10.2 时间校准与控制555.10.3 GPRS通信设计555.11 软件抗干扰设计565.12 本章小结57第六章 程序调试与实验分析586.1 程序编译与下载环境586.1.1 编译环境586.1.2 程序下载软件596.2 实验硬件准备606.3 显示界面说明626.4 按键控制说明626.5 实验与分析636.5.1 交流采样实验636.5.2 晶闸管移相触发实验656.5.3 相位检测与移相实验676.5.4 时钟调整实验696.5.5 通信实验706.6本章小结7

16、2第七章 总结与展望737.1 总结737.2 展望73参考文献74在学期间发表的学术论文与科研成果78VI第一章 绪论1.1 论文选题的背景及意义随着我国电力技术的迅速发展，电网容量不断扩大，输电线路不断延长，电压等级不断升高，而且用户对供电质量的要求越来越高，电力系统的安全性和稳定性问题日益突出。一些重大电力事故表明，电力设备需要更加及时精确的控制，其中对发电设备的控制尤为重要。发电机的励磁控制装置是电力系统的重要组成部分，是提高电力系统稳定性最有效和最经济的技术手段之一。目前我国电网的格局，以大型机组和巨型机组为主力。长远来看，我国太阳能发电受制于技术瓶颈，而风电技术有地域性限制，水电和

17、核电仍将是以后重点发展方向。广西作为中国第一糖业大省，有近100多家糖厂和大量化工企业，而且因水资源丰富广西还拥有众多的小型水电厂。糖厂、化工企业的冶炼和造纸等工艺都需要自备发电机组，其中的励磁装置每2-3年更换一次，从全国来看，类似的企业也还有很多，故励磁控制装置的市场前景非常广阔。本课题在国内一些科技研究成果的基础上，努力设计出性能更好、更稳定可靠的数字式微机励磁控制装置。本装置采用他励与自励相结合的接线方式，其中他励接线时，设计其励磁电流取自太阳能光伏组件。这种方式可以将太阳能光伏技术相结合，具有中远期的经济性和可持续性，既是国家节能环保政策所倡导的，也是未来技术发展的方向。另外，本装置

18、还预留物联网通信接口，这将在电气设备的远程通信、智能巡检和状态监测中发挥巨大的作用。目前现代通信技术和产品已广泛用于电力系统的各个环节，并伴随智能电网的发展，产生巨大的经济和社会效益。广西诺斯贝电气有限责任公司和广西比迪光电科技工程有限责任公司长期关注此项课题的研究，多个励磁控制项目、光伏发电并网项目和物联网工程项目在广西有成功的应用，为我们提供了良好的实验条件和大量的技术支持。1.2 微机励磁控制器的国内外研究现状1.2.1 国内研究现状上世纪80年代初，我国一些高校和科研单位开始研制数字式励磁控制装置1-2。卢强教授最早在国内研制出线性最优励磁控制器（LOEC）装置6-7。该装置基于线性最

19、优理论，标志着该理论在我国已达到了工业应用阶段3,5-8。90 年代初期，随着嵌入式技术的深入，同步发电机励磁装置发展迅速，逐渐趋向微机励磁3。该时期主流的励磁装置以 8 位单片机为控制核心，用 PID 调节控制规律来实现11。这相较传统的模拟式装置在运算速度、控制精度以及控制算法等方面有了很大的改进。此后，各研究单位对其投入了较大的关注，励磁控制技术得到了长足的发展。励磁控制装置的核心处理器也向快速化和集成化方向发展4。南自研制的FWL/B-600&800系统，主要基于DSP+FPGA，其可控硅移相触发技术处于国际领先水平4-5；华科的最优励磁控制调节器与PID+PSS相比，具有更好

20、的调节性和适应性；南自与清华共同研制的GEC系列装置，采用了PID+PSS和非线性励磁控制4-5。目前，我国的同步发电机励磁装置的研发能力己达世界先进水平。1.2.2 国外研究现状1969年，美国学者首次提出了PSS（电力系统稳压器）的概念，形成了“AVR+PSS”结构的励磁控制器。在上世纪70年代，加拿大学者余耀南将最优控制理论应用到电力系统，后来又提出了多变量线性最优励磁。随后，国外的科学工作者深入研究，并推出了一系列的励磁调节装置7。国外的数字式励磁控制器研究始于20世纪70年代，80年代中期已进入成熟阶段。80年代国外的数字式励磁调节装置正式投入运行。此后已经开始应用于大容量机组，主要

21、着重于完善与优化性能并提高可靠性9-10。80年代末富士公司研制出了多变量综合控制器，简称TAGEC(多变量综合控制器)9。21世纪以来，日本又提出了应用于高压输电的新型电力系统电压调节器，简称PSVR。BASLER电气公司、GE公司，还有ABB、ROLLS ROYCE、西门子等大公司对励磁控制装置都有较强的科研能力12。1.3 其他新技术的应用与发展1.3.1 太阳能光伏技术目前，我国已是全球太阳能热水器以及重要的太阳能光伏电池生产国。在全球太阳能产业链条中，我国依靠廉价劳动力等优势，在制造环节占有一席之地，但在大规模应用太阳能方面仍远远落后于德国、美国等国家21。太阳能光伏领域，我国光伏电

22、池产量逐年增加。太阳能光伏发电技术目前也已经开始在公用建筑中使用，比如大型停车场，但大多数的项目都只限于工程示范阶段，普及化的过程仍值得期待。近年来国内的低端光伏产品逐渐有盲目扩张和产能过剩的趋势，而转化效率高的多晶硅技术几乎被国外垄断，因此国内光伏制造业的产品出口受到很大限制22-23。作为新能源战略布局，国家相关部委陆续出台了不少政策来扶持这一产业。但总体来看，由于技术成本和并网限制等因素，目前国内光伏产业市场远未达到全面开启的状态。另外能量转化率高，存储更加方便21 的太阳能光热技术的发展也极为迅速，它将和光伏技术互为补充，齐头发展24。该课题将太阳能光伏技术与传统的励磁调节装置结合，目

23、前尚未见到类似的应用。1.3.2 物联网技术全球物联网技术发展迅速，物联网产业已成为当今世界最热门的产业之一，我国政府也将物联网列为未来重点发展的5大新兴技术之一25-26。目前，国际上有RFID五大标准组织，各有侧重领先领域，其中欧美地区推行较广。 随着信息化和网络化技术的发展，物联网技术逐步渗透到智能电网的应用中27-28,30。物联网技术在数字化变电站中已经得到应用，其应用层能实现信息技术与智能电网的融合，使电力系统的各个环节能智能交流。智能电网技术需要物联网的技术的全面支撑：从发电机组运行到输电线路的实时监控，从电力生产管理到智能抄表，从智能用电到多网融合27。物联网技术不但可以有效的

24、对电力系统的基础设施资源进行整合，全方位提高电力系统的通信水平，还能很好的改善当前电力系统基础设施的利用率29-30。1.4 微机励磁控制装置的技术发展趋势微机励磁装置今后的发展趋势是4,5：（1）功率单元趋向大功率化，可关断器件动作快速化；（2）核心控制器数据处理高速化，实时化；（3）控制方法智能化。由于PSS和LOEC都是近似线性化的数学模型7，而电力系统是比较典型的非线性系统。随着现阶段非线性控制理论的飞速发展，精确反馈线性化方法能很好地解决大范围线性化问题和大干扰稳定等问题。从线性多变量到非线性多变量，多目标的控制将成为将来主要的研究热点13-16。另外，模糊控制、自适应控制和人工智能

25、控制技术也开始应用于励磁控制，甚至可以在不确定模型和参数的情况下，抵抗外部干扰并能实现最优智能控制。从理论上讲，这些励磁控制器，对于改善系统的性能、精度和效率有很大的优势。目前这些方法大多只是实验性尝试，尚未进入产业化阶段17-20。1.5 本论文的主要内容和章节本课题的主要内容和章节安排：第二章着重讲解励磁控制原理和算法，包括太阳能励磁系统的建模、交流采样算法以及自动励磁控制算法；第三章论述太阳能光伏与物联网通信等技术在电力系统的应用原理；第四章通过装置功能需求说明总体设计硬件构架，然后设计各个模块并考虑器件选型；第五章主要从系统软件功能需求出发设计各子程序的流程，包括运行方式、励磁控制和综

26、合保护设计等等；第六章通过硬件调试和现场实验得到相关的数据和波形检验控制装置的功能；第七章为总结与展望。第二章 励磁控制原理与算法分析2.1励磁调节原理2.1.1 励磁调节系统组成同步发电机励磁系统主要由励磁功率单元、励磁调节器和输入测量单元组成31。功率单元主要提供可调节的励磁电流，在转子励磁绕组上建立一个可控的磁场，该单元可以采用直流或交流电源两种方式供电。如果是直流供电需要提供一个稳定可靠的直流电源，一般要匹配蓄电池。若采用交流电则可直接取自发电机机端，也可由电网直接接入。图2-1 励磁调节系统原理图Fig.2-1 The circuit diagram of excitation co

27、ntrol system励磁调节器是励磁系统的最关键部分，它发出的控制信号直接影响到发电机的运行状态。发电机机端电压、输出电流和励磁电流、频率等信号通过输入测量环节传送到励磁调节器。励磁调节器通过与基准信号的比较并按励磁控制算法计算后发出控制指令，控制功率单元的输出，从而影响发电机的运行。励磁调节部分一般采用手动与自动控制相结合，正常运行时自动控制，故障和实验时以手动方式作为备用。另外，整个励磁控制系统还具备实时监控、人机互动和自动保护等功能。2.1.2 励磁控制系统功能同步发电机励磁系统不仅能够保障自备发电设备的稳定、可靠的运行，而且能大大提高经济效益，其主要功能体现在以下几个方面：1.维持

28、机端电压稳定图2-2 同步发电机运行原理图Fig.2-2 The circuit diagram of synchronous generator running电力系统运行时，作为励磁系统最基本的任务必须控制机端电压在给定水平。机端电压的调整主要根据负荷的大小及时的调节励磁电流。如图2-2中为励磁电压，为励磁电流，为机端电压，I为机端输出电流。当励磁电流一定时，其建立的感应电动势也为一定值。图2-3 发电机输出等效图Fig.2-3 Equivalent chart of output of generator如图2-3所示，根据电磁感应和电路原理，有 (2-1)式中为发电机的无功电流。在励磁

29、电流不变时，机端电压的变化主要由无功电流引起。系统负荷的变化使无功电流改变，从而影响机端电压。但如果能相应的及时调节励磁电流，改变的值，从而可以维持的稳定。2.控制无功功率分配多台发电机并联运行时，改变某机组的励磁电流都可能会影响到母线上其他机组的无功电流变化，从而使母线电压也会发生改变。为了使机组间无功的分配合理且稳定，机组需有一定的调差系数： （2-2）式中,，实际常用代替。当0，机端电压随无功电流增大而降低，这时降低励磁电流可使发电机端电压降低，其曲线外特性为下倾，为正调差。当0时调节特性上翘，机端电压将随无功电流增大而上升，起调节特性相反，为负调差。=0为无差特性，机端电压恒定。当多台

30、机组并联运行时，具有正调差的机组之间无功分配与调差系数成反比，而负调差的机组不能直接并联。图2-4 调差特性曲线 Fig.2-4 Regulating features curve3.提高系统运行稳定性当电力系统受到外部干扰时，必须保证发电机同步、稳定运行。良好的励磁控制系统能显著改善静态稳定水平、保证发电机组同步，而且能有效抑制低频振荡。4.其它作用能提高继电保护装置动作的灵敏度，还具有快速灭磁的功能。2.1.3 励磁调节系统的性能要求为提高励磁调节系统的性能，通常需要满足以下要求：1.为满足输电距离，要求励磁调节器没有失灵区；2.有较快的响应速度，能及时反应系统故障并执行相应的保护动作；3

31、.能长时间可靠的工作，保证发电机组的安全稳定运行；4.输入测量模块采样的精度要满足国家励磁标准和电压调差率；5.励磁功率单元有足够的调节容量以适应各种工况；6.功率单元具有较高的励磁顶值电压和较快的电压上升速度；7.有较强的抗干扰能力，可以采用滤波、隔离和屏蔽等技术手段；8.硬件可靠简单，具有扩展性；软件系统升级更新方便。实际工程应用中要综合考虑机组的运行条件和实际成本等因素，采用经济合理的技术指标，以最大化提高励磁控制装置的性价比。2.2新型微机励磁调节系统模型基于ARM单片机的新型微机励磁系统采用的励磁电流来源：由机端电压经全控整流后的直流、由太阳能光伏组件直接得到的直流。图2-5 新型微

32、机励磁调节系统Fig.2-5 New exeitation control system电力互感器采样得到的机端电压和输出电流等模拟信号，经过采样调理电路将其变换到单片机的采样电压0V-3.3V范围内，由单片机内部的A/D转换后读取的数据计算出实际采样的电压和电流值。单片机通过软件实现调差并调整给定值，然后通过综合放大单元，在其输出的PWM控制信号作用下，实现直流斩波，从而控制励磁机励磁电流的大小。本系统的调节原理图如图2-5所示，它是一种闭环控制系统。该系统主要由测量比较单元、调差单元、励磁输出限制单元、励磁控制计算单元、综合保护单元和通信单元等组成。较之传统的励磁控制装置大大增强了通信功能

33、，如RFID非接触式读卡单元可以加强控制装置的密保和身份认证功能（根据需要增加），另外GPRS通信技术可以方便的实现遥信和遥控功能。2.3 交流采样算法研究电力设备采样最重要的参数主要是电压和电流。采样一般可分为直流采样和交流采样。直流采样简单，但实时性差，精度差，难以满足现代电力设备的要求；交流采样可以弥补直流采样的缺点，更能直接反映被测参数的真实信息。交流采样必须满足奈奎斯特定律： (2-3)是采样频率，是被采样对象的最高频率。由于本方案电力参数的采集采用交流采样算法，由于系统微处理器是32位单片机，计算能力较强，可以每周期采样64个点，采样频率远高于电网频率。交流采样的算法有很多：两点乘

34、积算法、三点采样算法、傅立叶算法、均方根算法、半周积分算法等。2.3.1 基本计算符号与公式说明1.计算符号说明：在一个采样周期里需要采样的样本数目：正弦波的周期：相的电压有效值，其中：相的电流有效值，其中：相的第i次采样电压，其中, ：相的第i次采样电流，其中, ：相的视在功率，其中：相的有功功率，其中：相的无功功率，其中：相的功率因数，其中：相的相位角（相位差），其中 2.常用计算公式说明， (2-4) ， (2-5) ， (2-6) ， (2-7)2.3.2 基本理论算法将需采样的工频交流电压、电流信号分别近似地表示为： ， (2-8) ， (2-9)式(2-8)和式(2-9)中的和分别

35、可以通过式(2-10)和式(2-11)求得： ， (2-10) ， (2-11)式中的和分别指的是相电的交流电压和电流。但是(2-10)式和(2-11)式中含有微积分，将其离散化后可以借助计算方法数值积分理论的复化梯形公式来解决： (2-12)将式(2-8)和式(2-10)一起考虑，则,，于是有： (2-13)同理， (2-14)式中的分别表示时的电压、时的电压、时的电流和时的电流。则单相有功功率可表示为： (2-15)同理，单相无功功率可表示为： (2-16)其中，相位角滞后电压处的电流。功率因数为： (2-17)2.3.3 半周积分算法将任半周期内正弦函数绝对值进行积分： (2-18)图2

36、-6 半周积分示意图Fig.2-6 The schematic diagram of half cycle integral 如图2-6所示， 和的纵轴、横坐标和正弦曲线所围成的区域面积相等, 发现其积分值是不变的，且与初相角无关。设的面积是离散的采样点组成的梯形叠加而成，则，并且： (2-19)其中为第k次采样值；是两采样点时间间隔，指周期，N为每周期采样点数，则： (2-20) (2-21)该算法能滤除高频分量，却不能消减直流分量，由于运算以加法为主，计算速度快。2.3.4 傅里叶算法傅里叶算法（DFT）容许采样的周期信号包含各种分量，甚至直流分量和高次谐波分量，而且便于谐波计算和分析。假

37、定采样的时间函数信号为： (2-22)其中n为谐波次数，由傅里叶级数公式，得： (2-23)离散化，得： (2-24)当n为1时，可以得到基波分量。2.3.5 本装置采样算法通过分析采样算法，傅里叶算法可以滤除直流分量和高次谐波，相位失真小，适用于周期性信号；而半周积分方法能滤除高频分量，采样速度快，主要适用于正弦信号。由于该装置采用32位单片机，计算速度能满足较高要求，而电力系统并不是标准的正弦波。综合硬件设计和励磁装置的精度、响应速度及运算量三个性能指标，本方案选择傅里叶算法实现交流采样。根据该单片机的系统频率和运算速度，一个周期内采样64点。信号的周期由单片机采样计算得出，并据此按等间隔

38、采样，然后计算出机端电压、输出电流等电力参数。当n为1时，即可得到基波的系数。在设计采样过程中，可以根据数值计算方法采用快速傅里叶算法（FFT）思想编写采样流程。快速傅里叶算法主要思想是利用的周期性减少乘法次数。时间抽取FFT算法(DIT)可将普通DTT算法次数由降为次。2.4 自动励磁算法研究2.4.1 常规PID控制算法PID（Proportional，Integral and Differential）是将比例、积分、微分相结合的一种简单控制算法。PID控制器是典型的线性控制器，在工业中应用广泛，其原理简单，能满足多数工程应用需求，而且实现方便33,43。图2-7 常规PID控制器系统原

39、理图Fig. 2-7 Common PID control systems schematic常规PID控制器原理图如图2-7所示。其控制规律为： (2-25) (2-26) 式中为比例系数；是积分时间；是微分时间。2.4.2 数字PID控制算法1位置式PID控制算法由于微机采样的控制量主要通过偏差来计算，故需将式（2-21）离散化。以采样点代替时间，进而将微分方程转化为差分方程，则得到位置式数字PID控制规律32,43： (2-27)式中：为采样序列，；是第次采样值；为第次采样输入偏差； ，为积分系数；，为微分系数。将式（2-27）简化得： （2-28）由Z变换： (2-29) (2-30)

40、将式(2-28)经变换后为： (2-31)可得数字PID控制器的传递函数为： (2-32)2. 增量式PID控制算法由式(2-28)推导得： (2-33)用式(2-28)减去式(2-33) 即得到增量式数字PID控制规律： (2-34) 式中代表增量。相对于位置式PID控制规律，该算法不需要累加偏差，可采取加权处理，误动作免疫性强,无扰切换性能好，但其缺点是有较大的积分截断效应，而且存在静差等 32,43。2.4.3 积分分离PID算法PID控制中积分环节可以减小稳态误差，当系统突然出现较大偏差时，因积分项的作用，会使系统超调过大而且振荡剧烈。为有效保障系统的稳定运行，通过对增量式数字PID算

41、法进行改进可以得到积分分离数字PID算法。该算法采用了阀值和分段函数，偏差小时为增量式PID控制，偏差大时为PD控制。积分分离数字PID控制规律如下： (2-35)式中，2.4.4 PID励磁控制算法由图2-7建立的PID励磁控制系统的主要控制目标：1.稳态放大倍数大，能稳定机端电压；2.暂态超调小，振幅不大，均衡无功分配。综合以上算法，本装置拟采用积分分离PID励磁控制算法。该算法能避免在系统发生较大偏差时，减少超调和振荡时间，而且能够结合增量式数字PID算法的优点。该系统的输入量为给定电压值与机端电压的偏差值。给定电压值由人为设定，一般取为稳压目标值，在程序软件设计中，该值也可以根据当前控

42、制状态计算调整。机端电压值则由硬件系统采样电路交流采样得到。系统的比例环节能将输入的偏差信号放大，通过综合控制实现负反馈，减小偏差，从而稳定机端电压。其中积分环节可以减小稳态误差，但是需要避免振荡。微分环节反映了信号变化速率，PID 的三个参数分别用，表示，它们的作用相互制约和配合，通常采用试凑法33：（1）把与设为0，设置输入为最大允许值的60%，然后将值从0开始增大，出现振荡时，回调至稳定状态，记录此时的值，设定为当前值的60%；（2）取值的90%，把值从0开始增大，直到系统将要波动；（3）取值的90%，把值从0开始增大, 保证电压的反应速度满足要求。2.4.5 线性最优励磁控制算法工程上

43、采用由三阶线性状态方程描述的单击无穷大系统，如图2-8所示。图2-8 单机无穷大电力系统模型Fig. 2-8 Single-machine infinite-bus power system model其三阶微分方程可表述为： (2-36)式中：、是状态量；为控制量；为扰动。最优控制理论建立在状态空间方程基础上，容易满足系统多变量的要求，其控制规律能通过严格计算得出32,43-44。该方法不仅能提高系统的静态稳定性，而且能改善其抗扰性能。在考虑扰动的情况下，线性系统的状态空间方程表示为44： (2-37)式中，W为扰动矩阵，p为扰动量。实际应用中，励磁控制系统线性状态空间方程表示如下： (2-

44、38)简写为： (2-39)式中：为系统矩阵；为控制矩阵；为扰动矩阵。由于和难以测量，而、易于实现并且他们有相应的函数关系。因此以代替原状态量32,43： (2-40)由线性变换，得：其中： (2-41)根据二次型性能指标： (2-42)式中：为阶对角阵；为阶单位阵44。由黎卡提方程： (2-43)通过迭代法求出P，再根据线性最优控制理论44： (2-44)即可达到线性最优励磁控制律： (2-45)其中、分别为、对应系数。2.5本章小结本章主要通过简述励磁控制装置的组成原理，并根据系统的性能要求，搭建出新型数字式微机励磁调节系统模型。在该模型的基础上，对系统软件需要用到的算法做了对比和分析，主

45、要包括自动励磁控制和交流采样算法。本装置的励磁控制可以切换数字PID控制和线性最优控制两种模式，采样过程则采用快速傅里叶算法。第三章 光伏与物联网通信等技术应用原理太阳能等新能源技术和物联网通信技术正在全世界范围内迅速发展，技术的延伸性使其逐渐融合到智能电网等新应用领域，为推动全球电力系统的发展提供了强大的技术依托。3.1 太阳能辐射强度计算由于日地距离变化很小而且不受大气的影响，因此太阳辐射能近似为一个恒定的常数，定义为太阳常数36。当日地为年平均距离，垂直于太阳光线时，大气层边界上单位面积与时间内所接收到的太阳辐射能量=1367W/h。当日地距离变化时，太阳辐射强度变化范围在正负2%之间，

46、计算公式如下： (3-1)大气层外任何日期、地点和时刻水平方向的太阳辐射强度可以计算为： (3-2)其中n为任何日期；为天顶角。3.2 太阳能光伏技术3.2.1 光伏效应原理当光照射到光伏电池组件上，光能被吸收后会产生非平衡载流子电子和空穴。在P-N结势垒区内部静电场作用下，它们向相反方向运动，使P-N结两端形成电动势，即光伏效应。将P-N结与外电路接通，只要有光照就有不断的电流产生，这即光电池的工作原理。其内部原理如图3-1所示。图3-1 光伏电池内部原理图Fig. 3-1 Inner schematic of photovoltaic cell3.2.2 光伏电池等效电路与特性目前太阳能光

47、伏电池按材料分，主要有带状硅、聚光、单晶硅、多晶硅和薄膜电池等几类36-39。第一代电池加工复杂，相对成本较高。采用减反射膜的方法提高其转化率，形成了PERL电池和点接触硅电池等新型电池；第二代电池以薄膜型电池为主，其转化率高，但成本也高，一般用于航空；第三代基于纳米材料的多层膜光伏电池已经处于研发阶段37。另外还有聚光太阳电池和光化学电池。太阳能电池转化效率随着技术的进步不断提高，单晶硅电池达到23.3%，砷化镓电池可达25%，第三代电池最高可达80%以上。另外光伏组件的寿命也大大的延长，多数能用30多年36-39。我国的光伏技术远落后与欧盟、日本等国，今后技术攻克的重点转为提高效率和降低成

48、本。太阳能光伏电池等效电路图如图3-2所示，其中来表示材料本身的电阻率，并联电阻来表示电池边沿的漏电等。图3-2 光伏电池等效电路图Fig.3-2 Equivalent circuit of photovoltaic cell经分析，其输出的光电流的大小可用以下公式计算： (3-3)光伏电池的重要参数主要有短路电流、开路电压、最大功率点电流()/电压()、最大输出功率()和转换效率等23,37,39。 图3-3 光伏电池伏安特性曲线 图3-4 伏安曲线随温度的变化Fig.3-3 photovoltaic cell VA features curve Fig.3-4 variation of V

49、A features curve flowing temperature光伏电池的开路电压与光强的对数近似成正比，而短路电流随光强成正比的增加。温度上升会使光伏电池开路电压下降，电池的效率也随着温度的上升而下降。3.2.3 光伏电池组件由于单体太阳电池具有不能承受撞击，不能长期裸露，工作电压低等特点，因此一般不单独作为电源来使用。实际使用时，太阳能电池都会经过一定的串并联组合。制作组件时，需要挑选性能接近的光伏电池组合以保证其组合的效率。光伏电池组件一般有几瓦、几十瓦甚至几百瓦，大功率供应电能时，还往往会将太阳能组件合并成方阵。 图3-5 旁路二极管接法示意图Fig.3-5 The chart

50、 of side diode Connecting在太阳能组件方阵中常常要用到旁路二极管防止方阵串中的某组件故障或被遮挡时影响其他正常组件的发电，同时也具有保护被旁路组件的功能。组件单独使用或并联时不需要接旁路二极管，另外工作条件好的场合也可以考虑不用35。3.3 电能贮存电能贮存技术比较成熟而且常用的是蓄电池，其作用是存储太阳能电池发出的电能，并可随时向负载供电36。目前光伏发电系统中的贮能装置，主要是免维护铅酸蓄电池。但是它寿命短，体积大，而且笨重，要经常维护。目前应用在电动汽车和光伏发电系统里的胶体电池，严格算是铅酸蓄电池的一种。其电液呈胶态，具备深放电能力，对温度有较强的适应性。在小微

51、型光伏系统中，也常用镍氢电池、镍镉电池、锂电池或超级电容器36。镍-铜和镍-铁蓄电池寿命长，重量轻，但较贵，通常在贮能量小时使用。新型开发的蓄电池还有银锌电池、钾电池、钠硫电池等。电能存储的主要发展方向是超导贮能。但其贮能密度低，难满足大容量、长久贮能要求，目前超导贮能在技术上尚不成熟。大容量储能时，需要将多只蓄电池串、并联起来构成蓄电池组36。蓄电池的容量计算公式为: (3-4)式中： 是系统日耗电量；为蓄能天数；是蓄电池的最大放电深度（50% 80%）；为能量转换率（80% 90%）；电力传输损失（5%）38。3.4 物联网与智能电力设备物联网与智能电网的融合具有高度的战略意义，大大的影响了我国新兴产业的布局，目